Upload
say-ulala
View
106
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
GAS DAN TITIK NOL ABSOLUT
Tujuan :
Setelah melakukan percobaan, dapat menerangkan kelakuan gas pada
volume konstan dengan kondisi tekanan dan temperatur yang berbeda.
Dapat mengerti prinsip kerja Hg-U manometer dan termometer gas.
Dapat membedakan antara skala Celcius dan skala Kelvin, dan
memperkirakan temperatur nol absolut.
Perincian kerja :
Menyelidiki kelakuan gas pada berbagai kondisi tekanan, temperatur (Hukum
gas).
Menggunakan Hg – U manometer.
Menentukan koefisisen ekspansi untuk udara.
Menentukan/memperkirakan temperatur titik nol absolut.
Menggunakan termometer digital dan termokopel.
Alat yang Digunakan :
Gelas kimia 500 ml 1 Buah
Labu leher bulat 1000 ml 1 Buah
Termometer 3 Buah
Manometer Hg – U 1 Buah
Pipa kaca dan pengaduk 1+1 Buah
Sumbat labu leher bulat 1 Buah
Klem + Selang 2+3 Buah
Penangas uap 1 Buah
Bahan yang digunakan :
Aquadest
Es
Dasar Teori :
Hukum-hukum gas :
Hukum Boyle
Penemuan bahwa tekanan udara dapat diukur dalam bentuk tinggi
kolom cairan, segera mendorong pengkajian yang cermat mengenai
perubahan volume contoh-contoh gas dengan berubahnya tekanan. Perilaku
yang dibuktikan oleh eksperimen yang serupa bersifat khas dari semua gas.
Pada temperatur konstan apa saja, makin besar tekanan suatu contoh gas,
makin kecil volumenya. Karena semua gas bertindak seperti ini disebut suatu
hukum alam. Pertama kali diperagakan kira-kira dalam tahun 1660 oleh
Robert Boyle, hukum ini dikenal dengan hukum Boyle. Jika temperatur tetap
konstan, volume suatu massa tertentu berbanding terbalik dengan tekanan.
Secara matematis dapat ditulis :
Dengan menggunakan data dari contoh khusus nampak bahwa
perkalian tekanan dan volume adalah konstan:
1.480 mm x 50 ml = 74.000 mm.ml
740 mm x 100 ml = 74.000 mm.ml
Artinya : v = Konstan jika dinyatakan secara matematis dengan cara lain.
…………… (1)
Lambang V1 dan P1 merujuk ke volume dan tekanan awal, V2 dan P2
merujuk ke volume dan tekanan pada kondisi baru atau yang telah diubah.
Memecahkan masalah-masalah Hukum Gas
Banyak diantara masalah yang berkaitan dengan hukum gas yang
dapat dipecahkan dengan cara sistematis yang sama. Pertama, harus
dipahami bahwa untuk memeriksa dengan lengkap suatu contoh gas, empat
besaran harus diketahui : Banyaknya materi yang ada (Dinyatakan dalam
massa atau banyaknya mol), Volume, Tekanan dan Temperatur. Kedua,
seringkali ternyata menolong untuk mendaftar satu perangkat kondisi yang
memberikan gas itu dalam keadaan aslinya dan seperangkat lain yang
memerikan gas itu dalam keadaan yang telah berubah. Biasanya problem itu
dapat dirumuskan sebagai problem dimana suatu besaran anu dalam
keadaan berubah harus dicari.
Katakan terdapat gas dengan massa tertentu m, menghuni volume asli
V1, pada tekanan tertentu P1, dan gas itu diubah ke tekanan P2. problemnya
ialah menghitung volume V2 dalam keadaan terubahkan. Informasi tambahan
ialah bahwa temperatur awal dan akhir sama, sebesar T. Tentu saja
diandaikan (Biasanya tidak disebut) bahwa tak ada kebocoran dalam alat,
sehingga massa gas juga konstan. Dapatlah informasi ini ditata dalam tabel
berikut:
m V P T
Asli k V1
(diketahui)
P1
(diketahui)
k
Diubah k V2 (?) P2
(diketahui)
k
Untuk menyatakan bahwa suatu variabel tidak berubah, ditulis
lambang k, yang menunjukkan suatu tetapan (konstanta). Mentabelkan
informasi itu akan memperjelas bahwa hanya tekanan dan volume berubah,
dan karena itu hukum Boyle dapat diterapkan.
Pengaruh Temperatur
Jika kuantitas tertentu gas dikurung pada tekanan konstan dalam
sebuah bejana, volume gas akan berubah dengan temperatur. Gas terkurung
diatas cairan dalam suatu silinder berskala yang diselubungi suatu selubung
lewat mana dapat dialirkan suatu cairan pada temperatur tertentu. bila
temperatur dinaikkan, volume gas bertambah, bila diturunkan volume
berkurang. Dengan menaik turunkan labu pengatur permukaan cairan,
permukaan dalam labu ; dengan cara ini tekanan gas yang terkurung dapat
dijaga agar konstan dan sama dengan tekanan udara luar (tekanan gas
dapat juga dibuat konstan dibawah atau diatas tekanan udara luar, dengan
meletakkan labu itu pada posisi yang benar).
Katakan suatu silinder mengandung 100 ml udara kering pada 0C.
Tabel 4-1 mencantumkan volume udara itu pada pelbagai temperatur lain.
Untuk mengurung udara dibawah –38,87C, haruslah digunakan cairan lain
pengganti merkurium, karena merkurium membeku pada dan dibawah
temperatur itu ; juga diatas 100C penguapan merkurium mulai menambah
volume gas yang terkurung.
Tabel 4.1 Perubahan volume udara dengan berubahnya
temperatur, pada tekanan konstan.
Temperatur, C
273
200
150
100
50
0
- 50
Volume, ml
200
173
155
137
128
100
82
- 100
- 150
63
45
Data dari tabel dialurkan pada grafik pada gambar 4.3. Dalam jangka
temperatur yang luas, terdapat hubungan garis lurus antara perubahan
temperatur dan perubahan volume. Pada temperatur yang sangat rendah,
udara akan mencair. Volume mengecil secara mendadak bila terbentuk
cairan. Hubungan garis lurus antara temperatur dan volume menunjukkan
bahwa perubahan dalam volume gas berbanding lurus dengan perubahan
temperatur, artinya :
ΔV α ΔT
Kesebandingan ini pertama-tama dijumpai oleh ilmuan Perancis, Jacque
Charles kira-kira dalam tahun 1787 dan dinyatakan dalam rumus umum oleh
J.L. Gay-Lussac dalam tahun 1802.
Skala Mutlak Temperatur
Ekstrapolasi garis lurus dalam Gambar 4.3 mendorong ke gagasan
bahwa seandainya temperatur cukup direndahkan volume yang dihuni oleh
udara itu akan menjadi nol. Meskipun sukar dibayangkan bahwa materi dapat
bervolume nol, temperatur yang berkaitan dengan “volume nol” pada grafik
itu sangat penting artinya. Temperatur ini, yang menurut perhitungan adalah
273,15 dibawah 0Celcius, disebut nol mutlak. Meskipun ekstrapolasi
sederhana seperti yang ditunjukkan dalam gambar 4.3 menyatakan bahwa
temperatur nol mutlak itu ada, baru dalam tahun 1848 Lord Kelvin secara
meyakinkan memperagakan berlakunya skala temperatur mutlak.
Pada skala Kelvin itu, nol mutlak diberi harga 0K. suatu perubahan
1K sama besarnya dengan perubahan 1C, sehingga titik beku air, yang
273,15 derajat diatas nol mutlak, mempunyai harga sebesar 273,15K pada
skala Kelvin. Mengubah 0C ke K, 273 (lebih tepat 273,15) harus ditambahkan
ke temperatur Celcius.
Tak terdapat temperatur tertinggi yang dapat dihitung karena tak
dikenal data atas teoritis untuk temperatur. Temperatur didalam matahari
diperkirakan setinggi 30.000.000 K ; temperatur yang dicapai dalam ledakan
bom hidrogen diperkirakan 100.000.000 K.
Hukum Charles
Dalam gambar 4.3 grafik garis lurus temperatur suatu gas versus
volumenya menunjukkan bahwa perubahan dalam besaran – besaran ini
berbanding lurus satu sama lain. Namun, angka banding langsung antara
volume dan temperatur tak diperoleh jika temperatur yang digunakan diambil
dari skala Celsius atau Fahrenheit. Bilangan dalam skala-skala ini hanyalah
harga relatif. Baik 0C maupun 0F tidak menyatakan ketiadaan temperatur,
karena pada masing-masing skala ini masih dapat dibaca temperatur
“dibawah nol”.
Karena hanya dalam skala mutlak nol berarti tak ada temperatur,
rujukan apa saja ke angka banding langsung antara volume dan
temperatur haruslah menyebut bahwa digunakan harga-harga mutlak.
Pernyataan hubungan ini dikenal sebagai hukum Charles. Jika
tekanan tak berubah, volume gas dengan massa tertentu, berbanding
lurus dengan temperatur mutlak. Secara matematis,
V α T
Dengan menggunakan data dari tabel dan mengubah ke
temperatur mutlak, nampak bahwa koefisien volume dibagi oleh
temperatur mutlak suatu konstanta :
Artinya, V/T = suatu konstanta, atau :
……………. (2)
Hubungan antara Tekanan dan Temperatur
Terutama dinegeri subtropis, setelah diukur pada pagi hari yang
dingin, tekanan udara dalam ban ditengah hari dimusim panas dapat naik
secara menyolok setelah mobil dikendarai beberapa jam. Sementara itu
volume ban praktis tidak bertambah. Hubungan antara tekanan dan
temperatur pada volume konstan tidak lazim dirujuk ke nama penemunya,
agaknya karena hubungan ini dikenal secara bertahap oleh beberapa
penyelidik. Kadang-kadang diberi nama menurut nama Joseph Gay-Lussac
dan kadang-kadang menurut nama Guillaume Amontons, yang
menghubungkan tekanan gas ke temperaturnya dan membuat suatu
termometer gas atas dasar ini dalam tahun 1703. sumbangan kedua ilmuan
ini akan kita hargai dengan menyebut hubungan itu hukum Gay Lussac dan
Amontons. Tekanan gas dengan massa tertentu berbanding lurus dengan
temperatur mutlak, bila volume tidak berubah. Dinyatakan secara matematis:
P α T
Atau P/T = suatu konstanta. Pernyataan yang setara adalah
……………. (3)
Aplikasi hukum-hukum gas pada percobaan
Percobaan kali ini akan diselidiki hubungan antara tekanan dan
temperatur gas pada volume konstan. Selanjutnya akan digunakan hubungan
antara tekanan dan temperatur untuk membuat kurva antara tekanan vs
temperatur. Dari hukum Charles dapat diketahui bahwa jika sejumlah volume
gas dijaga agar tekanannya konstan, maka volume gas akan berbanding
lurus dengan temperatur absolut.
Dapat dilihat pula bahwa dari ekstrapolasi terhadap garis lurus akan
diperoleh harga volume nol, pada temperatur –273C atau 0K. Tetapi karena
volume pada tekanan konstan dan tekanan pada volume konstan adalah
berbanding lurus terhadap temperatur (hukum Gay Lussac) volume pada
grafik 4.3 (sumbuY) dapat diganti dengan tekanan, sehingga diperoleh grafik
yang sejenis (tekanan vs temperatur) jika kita lakukan ekstrapolasi terhadap
garis lurus maka akan diperoleh harga tekanan nol, pada temperatur –273C
atau 0K.
Untuk membuat grafik tekanan vs temperatur paling sedikit dibutuhkan
3 titik yang diukur pada volume konstan.
Isi labu gelas dengan udara dan dihubungkan dengan pipa karet
vakum (vacum rubber hose). Setelah labu gelas didinginkan hingga 0C,
tekanan udara dalam labu akan turun. Hal ini dapat diukur dengan Hg – U
manometer p antara nol mmHg dan kenaikan tinggi kolom pada sisi kiri
sesuai dengan penurunan tekanan. Dengan demikian diperoleh :
P0 = Patm – ΔP
T0 = 0C atau 273K
P0 adalah tekanan pada 0C atau 273K, ini adalah titik pertama pada
grafik antara tekanan vs temperatur. Jika temperatur dalam labu yang
berisi udara dinaikkan 1C atau 1K tekanan akan bertambah sebanding
dengan kenaikan temperatur (pers 3 Hukum Gay Lussac).
P0 = P1 P1 = Tekanan pada T1
T0 T1 T1 = 1C atau 274K
Dengan demikian dapat kita tulis :
=
Atau dalam bentuk yang lebih umum
Pt = Po ( 1 + Δt)………..(4)
Perbedaan temperatur dalam C atau K
Pt = Tekanan pada temperatur t
Δt = Temperatur dalam C
= 1/273 K-1 (koefisien ekspansi untuk gas ideal)
Persamaan (4) adalah bentuk persamaan dari grafik, tekanan vs temperatur
yang ada, yang percobaan ini divariasikan untuk temperatur 0 – 100C. Jika
P0 (tekanan pada 0C) diketahui, tekanan Pt pada temperatur (C) yang lain
dapat dihitung.
Jika garis lurus pada grafik tekanan vs temperatur diekstrapolasi
hingga Pt = C, maka dari persamaan (4) dapat dilihat temperatur yang sesuai
adalah sekitar –273C, atau 0K.
Koefisien ekspansi ……………… (4)
Hanya berlaku untuk gas ideal.
Tapi pada kenyataannya tidak terdapat gas ideal. Semua gas akan
mencair pada kondisi temperatur dan tekanan tertentu. dengan demikian
grafik vs tekanan untuk gas nyata hanya beralaku untuk range tertentu, tetapi
dalam range ini untuk kebanyakan gas nyata hampir sama, seperti dapat
dilihat pada tabel :
Koefisien ekspansi γ - untuk beberapa gas :
Udara 0,003674 K-1
H2 0,003663 K-1
He 0,003660 K-1
CO2 0,003726 K-1
Untuk tujuan-tujuan praktis dapat kita asumksikan bahwa pada
temperatur dan tekanan lingkungan, H2, helium dan udara berkelakuan
mendekat gas ideal sebab jauh dari titik cairnya (embunnya). Pada
percobaan ini udara ditentukan dengan persamaan (4) :
Pt1 = Po (1 + γ Δt1) atau Po = Pt / (1 + γ Δ t1)
Pt2 = Po (1+ γ Δt2) atau Po = Pt / (1 + γ Δ t2)
Dari dua persamaan diatas diperoleh :
Prinsip Termometer gas
Pada termometer gas penentuan temperatur didasarkan pada prinsip
alat ukur tekanan dengan hukum Gay – Lussac.Dengan dapat digerakkannya
tabung sebelah kanan, maka permukaan Hg pada kaki sebelah kiri dapat
diatur pada ketinggian hL dengan menyentuh jarum), oleh sebab itu volume
gas dalam labu dapat dibuat konstan untuk setiap pengukuran temperatur.
Perbedaan tekanan yang diakibatkan kenaikan temperatur sebanding dengan
perbedaan tinggi permukaan h = hr – hL (mmHg).
Adanya perbedaan temperatur t1 dan t2 akan mengakibatkan
perbedaan tinggi permukaan Hg, h1 dan h2. dari hubungan tekanan h1 dan h2
serta dari tekanan barometer b kita peroleh tekanan dalam labu A.
P1 = b + h1 P2 = b + h2
Sesuai dengan persamaan (4) maka :
P2 = P1 (1 + γ Δ t) jika P1 = Tekanan pada 0C (camp. Air – es)
Prosedur Pengerjaan
Ditempatkan labu gelas pada sandaran dan dihubungkan dengan Hg – U
manometer,
Dicatat temperatur dan tekanan ruang serta diatur agar Hg – U manometer
pada posisi 0 mmHg,
Dimasukkan labu gelas secara keseluruhan kedalam air es, di tunggu agar
permukaan Hg menjadi konstan,
Dikeluarkan dari air es dan dibiarkan labu menjadi panas sesuai dengan
temperatur ruangan,
Diambil waterbath dan dimasukkan labu secara lengkap didalamnya,
dipanaskan sekitar 30C, dicatat temperatur sesungguhnya jika temperatur
sudah konstan,
Air dipanaskan hingga mencapai suhu 40C dicatat temperatur sesungguhnya
jika temperatur sudah konstan (diulangi untuk suhu 50C dan 60C),
Dihitung tekanan P didalam labu dari perbedaan tekanan dan tekanan
barometer b untuk tiap temperatur yang sesuai
Dibuat grafik tekanan P dan temperatur dan ekstrapolasi garis yang terbentuk
sampai P = 0 mmHg, untuk temperatur digunakan skala C atau K
Ditentukan udara dari pengukuran P pada 0C dan titik didih t b dengan
menggunakan persamaan 5 dan dibuat hubungan antara tekanan dan
temperatur.
Data Pengamatan:
Pembacaan pada manometer (volume konstan) → pada saat dipanaskan
Temperatur (C) h (mmHg) p (mmHg)
75 38 38
70 20 21
65 8 11
60 5 5
55 3 1
50 8 8
45 11 11
40 18 18
Pembacaan pada manometer (volume konstan) → pada saat didinginkan
Temperatur (oC) ∆h (mmHg) ∆p (mmHg)
28 42 102
24 43 103
20 44 104
Volume labu : 1.140 cm3
Diameter selang : 8 mm = 0,8 cm
VIII. Perhitungan :
T = 0C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 8 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 4 cm
= 1.140 cm3 – 2,0096 cm
= 1.137,9904 cm3 = 1.137,9904 ml
Untuk T = 0C
Dik:
To = 0C = 273K
P1 = Pruang = 746 mmHg
T1 = Truang = 31 + 273K = 304K
V1 = 1.140 cm3
Dit:
P0C = ….?
Penyelesaian:
Untuk T = 30C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 0 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 0 cm
= 1.140 cm3 – 0 cm
= 1.140 cm3 = 1.140 ml
Untuk T = 40C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 6 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 3 cm
= 1.140 cm3 – 1,5072 cm
= 1.138,4928 cm3 = 1.138,4928 ml
Untuk T = 50C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 12,4 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 6,2 cm
= 1.140 cm3 – 3,1149 cm
= 1.136,8851 cm3 = 1.136,8851 ml
Untuk T = 60C
V = Vlabu – π / 4 . d2 . t
= 1.140 cm3 – 3,14 / 4 x 0,82 x ½ 19,4 cm
= 1.140 cm3 – 0,785 x 0,64 x 9,7 cm
= 1.140 cm3 – 4,8733 cm
= 1.135,1267 cm3 = 1.135,1267 ml
Untuk harga koefisien ekspansi
Dimana :
P2 = T
P1 = R
Δt2 = 333K – 304K = 29K
Δt1 = 273K – 304K = 31K
IX. Pembahasan hasil percobaan :
Percobaan ini bertujuan untuk menyelidiki hubungan antara tekanan
dan temperatur gas pada volume konstan. Hubungan ini dapat dilihat dari
gambar grafik. Dilihat dari grafik tampak jelas masih terdapat kesalahan
dalam percobaan.
Koefisien ekspansi untuk gas ideal yaitu 0,00366 K-1, namun dalam
kenyataannya dalam percobaan kami memperoleh beda yang sangat
jauh. Ini mungkin diakibatkan karena semua gas akan mencair pada
tekanan dan temperatur tertentu.
Sesuai dengan hukum gay lussac dan Amontons tentang hubungan
tekanan dan temperatur diperoleh bahwa tekanan udara di dalam labu
bulat berbanding lurus dengan temperatur mutlak bila volumenya tidak
berubah. Artinya semakin besar tekanan di dalam labu maka temperatur
di dalam labu pun akan meningkat jika volumenya tetap.
Pada temperatur di bawah suhu ruang dalam artian 0oC diperoleh Hg-
U manometer bergerak ke arah labu sehingga volume udara di dalam
labu mengecil dan sebaliknya pada temperatur di atas suhu ruang dalam
artian setelah air dipanaskan dari 30C sampai 60C volume udara dalam
labu bertambah sehingga cairan Hg-U manometer bergerak ke arah
berlawanan
Grafik hubungan antara Tekanan dengan Temperatur
X. Kesimpulan :
Tekanan pada suhu 30C adalah
Tekanan pada suhu 40C adalah
Tekanan pada suhu 50C adalah
Tekanan pada suhu 60C adalah
Dari hasil percobaan disimpulkan bahwa Koefisien ekspansi dari udara
dalam ruangan pada saat praktikum adalah
XI. Jawaban Pertanyaan :
Pada thermometer gas, pada kaki sebelah kiri Hg dapat digerak-
gerakkan untuk menjaga agar permukaan Hg pada kaki kiri konstan
(volume yang tetap dalam labu A mengikuti hukum Gay Lussac). Pada
percobaan ini tabung Hg – U manometer adalah tetap. Apa akibatnya.
Berikan pernyataan dan buat perkiraan untuk menunjukan
kemungkinan perbedaan besarnya tekanan di dalam labu.
Akan berakibat volume gas didalam labu akan dapat kita buat
konstan untuk setiap pengukuran temperatur.
Kita dapat memperkirakan besarnya beda tekanan yang terjadi
didalam labu karena tekan gas dengan cara memperhatikannya
pada tabung Hg – U manometer besarnya skala yang ditunjukan
oleh kedua sisi Hg, dengan jalan mengukur jauhnya setiap sisi dan
hal ini dijadikan besarnya beda tekanan yang terjadi didalam labu.
Yang mana dari 2 temperatur tetap (fix points) dalam skala Celcius
dan bagaimana cara mengukurnya ?
Yaitu 0C, diukur dengan menggunakan thermometer raksa,
dengan melihat skalanya pada thermometer yang terdapat didalam
labu bulat dan ditunggu selama 2 menit hingga suhu konstan.
Bagaimana hubungan antara skala Celcius dan Kelvin !
Skala celcius jika dihubungkan dengan skala Kelvin maka harga
temperatur 0C akan setara dengan 273K (tetapi sebenarnya yang
tepat adalah 273,15K), dan jika celcius ingin dikompersikan
kedalam Kelvin maka cukup tinggal menambahkan besarnya xC
dengan 273K
Apa defenisi titik nol absolut !
Titik nol absolut adalah temperature yang berkaitan dengan volume
nol yang menurut perhitungan adalah 273,17 derajat dibawah 0C
Bagaimana caranya mengkalibrasi (secara kasar) thermometer gas,
jika tidak terdapat thermometer yang tepat ; sedang yang ada hanya
barometer.
Untuk pertanyaan ini tidak terjawab, karena berhubung tidak
dipraktekkan.
XII. Daftar pustaka :
Sienko M.J, Experimental Chemistry, MC Graw-Hill, Singapore, 1985.